Общая теория относительности - Хокинга В.
Скачать (прямая ссылка):
белых карликов с той же низкой точностью, что и отклонение света Солнцем,
и которое, более того, едва ли можно вообще рассматривать как истинную
проверку теории относительности.
Однако благодаря революции в астрономии и технике, относящейся к 60-м —
70-м годам нашего столетия, сопоставление теории относительности с
экспериментом достигло беспрецедентного уровня точности. Такие
технические достижения, как создание атомных часов, измерения расстояний
до планет и искусственных спутников Земли с помощью радиолокаторов и
лазеров, радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами,
высокочувствительные датчики смещений — вот неполный список арсенала
средств, благодаря которым систематические проверки теории гравитации с
высокой точностью стали делом почти привычным. Измерения ничтожно малых
эффектов, предсказываемых общей теорией относительности для Солнеч-
*) Работа частично финансирована Национальным управлением по аэронавтике
и исследованию космического пространства (NSG7204S1) и Национальным
научным фондом (RHY76-21454).
г)'С. М. Will, Department of Physics, Stanford University, Stanford
California, USA.
3) Стипендиат фонда Альфреда П. Слоана.
12
К. М. Уилл
ной системы, с точностями, составляющими доли процента, стали
реальностью.
Стремление к осуществлению столь точных проверок гравитационных теорий
усилилось в последние два десятилетия, когда были открыты экзотические
астрономические объекты, в которых релятивистские гравитационные эффекты
играют, по-видимому, первостепенную роль. В результате открытия таких
объектов, как квазары, пульсары, компактные рентгеновские источники и
космическое микроволновое фоновое излучение, для теоретиков-астрофизиков
стало необходимым иметь полную уверенность в справедливости той
единственной теории гравитации, которую они используют в построении
моделей указанных выше явлений. Эта необходимость стала еще более
настоятельной, когда был предложен ряд конкурирующих теорий гравитации,
главным образом теория Бранса — Дикки, которые претендуют на то, чтобы их
рассматривали как жизнеспособные альтернативы общей теории
относительности. На протяжении 60-х и 70-х годов активность и степень
изощренности при построении альтернативных теорий гравитации были столь
велики, что какое-то время общая теория относительности казалась всего
лишь одной из множества ничем не уступающих друг другу теорий. Дело дошло
до того, что в течение 60-х и начале 70-х годов была разработана «теория
гравитационных теорий», предназначенная для предельно объективного
исследования и классификации всех теорий гравитации. Начатая Робертом Г.
Дикки и Кеннетом Нордтведтом, эта «теория теорий» могла быть очень
полезной также и при анализе новых очень точных измерений и при
планировании экспериментов в будущем, возможных благодаря дальнейшему
техническому прогрессу.
К сегодняшнему дню общая теория относительности выдержала все
экспериментальные проверки, которым была подвергнута, а многие ее
конкуренты остались за бортом, однако программа сопоставления теории
гравитации с экспериментом еще далека от завершения. Точность тестов в
Солнечной системе будет непрерывно возрастать, причем наибольшее
продвижение планируется на 80-е годы. Однако не обязательно ограничивать
проверки теории гравитации рамками Солнечной системы. Возможно, вскоре
удастся проводить эксперименты в совершенно новых областях явлений,
затронув при этом такие аспекты теории гравитации, которые недоступны
обычным тестам в Солнечной системе. Речь идет о гравитационноволновом
эксперименте, о тестах по звездным системам (двойной пульсар), о
космических тестах и лабораторных экспериментах. Можно только строить
догадки, будет ли впредь общая теория относительности выживать при каждом
новом ее сопоставлении с экспериментом, но так или иначе благодаря общей
теории относительности мы уже достигли той глубины понимания природы
гравитации и эффектов, связанных с ней, что уже это само по себе говорит
о непреходящей ценности предвидения Альберта Эйнштейна.
/. Теория гравитации и эксперимент
13
Мы начнем обзор (разд. 2) с анализа основ теории гравитации — принципов
эквивалентности, фундаментальных критериев жизнеспособности
гравитационной теории и экспериментов, лежащих в основе этих критериев.
Один из центральных выводов разд. 2 состоит в том, что правильная,
жизнеспособная теория гравитации, по всей вероятности, должна быть
«метрической» теорией. В разд. 3 мы обращаемся к проверкам в Солнечной
системе, используя «теорию теорий», известную под названием
параметризованного постньюто-новского (ППН) формализма, который
охватывает большинство метрических теорий гравитации и наилучшим образом
приспособлен к анализу явлений в Солнечной системе. В разд. 4 обсуждается
гравитационное излучение как возможное средство проверки гравитационной
теории. Двойной пульсар — новое поле деятельности по проверке теории с
помощью «звездных систем» — исследуется в разд. 5. В разд. 6 описаны
